더운 날 교통 체증 속에 앉아 자동차의 배기관에서 정확히 무엇이 나오는지 궁금해 본 적이 있다면 혼자가 아닙니다. 자동차 엔지니어, 규제 기관, 심지어 테스트 연구소에 있는 사람들에게도 배기가스 혼합이 큰 문제라는 사실을 알아내는 것은 자동차를 원활하게 작동시키는 것뿐만 아니라 배기가스 배출 규정을 준수하고 더 우수하고 효율적인 엔진을 만드는 것이기도 하기 때문입니다. 이것이 바로 자동차 배기가스용 가스 분석 시스템이 등장하는 곳입니다. 처음에는 부품 테스트 엔지니어로 시작해 지금은 이러한 시스템을 공급하는 팀의 일원으로 10년 넘게 가스 분석 기술을 사용해 왔습니다. 그래서 이 기술이 어떻게 실험실 선반 위의 멋진 도구에서 실제 자동차를 더 좋게 만드는 장치로 변하는지 직접 보았습니다. 전문 용어의 과부하 없이 분석해 보겠습니다.
우선 한 가지만 분명히 짚고 넘어가겠습니다. 자동차 배기가스는 단순한 "연기"가 아닙니다. 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 심지어 요즘에는 소량의 입자상 물질(PM)까지 혼합된 가스입니다. 시스템의 임무는 엔진 연소가 매 순간 변하기 때문에 이들 각각을 정확하고 일관되게 실시간으로 측정하는 것입니다. 시스템이 꺼지면 오염이 너무 심하거나 제대로 작동하지 않거나 심지어 규제 테스트에 통과하지 못하는 자동차를 갖게 됩니다.
그렇다면 실제로 어떻게 작동합니까? 테스트 벤치 옆에 서 있는 것처럼 프로세스를 살펴보겠습니다. 1단계는 배기가스 샘플링입니다. 배기관에 탐침을 꽂고 하루를 보낼 수는 없습니다. 배기 가스는 뜨겁고 젖어 있으며 올바르게 처리하지 않으면 측정을 엉망으로 만들 수 있는 물질이 많이 있습니다. 대부분의 시스템은 배기관에서 분석기로 배기 가스를 운반하기 위해 가열된 샘플 라인(보통 약 190°C, 끓는 물보다 훨씬 더 높음)을 사용합니다. 왜 가열하나요? 배기가스가 조금이라도 냉각되면 수증기가 응축되어 HC나 NOx가 라인 내부에 달라붙어 수치가 떨어질 수 있기 때문입니다. 일부 시스템에는 분석기의 민감한 부분에 들어가기 전에 큰 입자상 물질을 잡아내는 필터가 프로브에 바로 있습니다. 따라서 NOx 백만분율을 측정하는 센서에 작은 그을음 입자가 쌓이는 것을 원하지 않습니다.
샘플이 라인을 통과하면 분석 준비가 된 것입니다. 여기가 마법(실험실 트릭이 아닌 과학적인 종류)이 일어나는 곳이며, 서로 다른 가스는 모두 다르게 작용하기 때문에 서로 다른 방법을 사용합니다. CO와 CO2에 사용하는 가장 일반적인 방법은 비분산 적외선(NDIR) 분광법입니다. 작동 방식은 다음과 같습니다. 모든 가스 분자는 특정 파장의 적외선을 흡수합니다. 예를 들어, 가스 샘플에 적외선을 비추면 CO가 더 많아지면 더 적은 양의 빛이 나옵니다. 분석기는 낙하량을 측정하고 이를 공식에 연결하여 농도를 제공합니다. CO는 불완전 연소로 인한 독성 부산물이고 CO2는 자동차의 주요 온실가스이기 때문에 두 가지 가스에 대해 매우 정확합니다.
그리고 NOx가 있는데, 이는 산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)가 혼합되어 있기 때문에 까다로운 것입니다. 이를 위해 화학발광 검출기(CLD)를 사용합니다. CLD는 NO와 오존이 반응하여 NO가 얼마나 많이 존재하는지에 비례하는 희미한 빛(화학 발광, 알죠?)을 생성함으로써 작동합니다. 멋진 부분은 이를 조정하여 총 NOx를 측정하거나 필요한 경우 NO2를 분리할 수 있다는 것입니다. 일부 자동차에는 특별히 NO2를 목표로 하는 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템이 있으므로 분리가 중요합니다. HC의 경우 불꽃 이온화 검출기(FID)를 사용합니다. 작은 수소 불꽃에서 가스 샘플을 태우는 것으로 생각하십시오. 모든 탄화수소 분자가 연소되고 불꽃은 우리가 계산하는 하전 입자를 생성하며, 이는 HC가 얼마나 많은지 알려줍니다. 연소되지 않은 HC는 스모그의 큰 부분을 차지하기 때문에 이는 중요합니다.
요즘에는 다른 방법으로는 놓칠 수 있는 작은 고체 입자를 측정하는 미립자 물질(PM) 분석기도 추가되는 시스템이 많습니다. 과거에는 필터를 사용하여 PM을 수집하고 무게를 측정하면 그게 전부였습니다. 속도가 느리고 테스트가 완료된 후에만 숫자를 제공합니다. 최신 시스템은 레이저 광 산란을 사용하여 개별 PM 입자를 실시간으로 계산하므로 엔진 회전 속도가 빨라지거나 느려짐에 따라 PM이 어떻게 변하는지 확인할 수 있습니다. 이는 PM 문제를 빠르게 해결해야 하는 엔지니어링 팀에게 획기적인 변화입니다.
자, 이것이 자동차에 왜 그렇게 중요한가요? 먼저 규정에 대해 이야기합시다. 미국의 EPA, EU의 Euro 6d, 그리고 중국의 더욱 엄격한 규정은 모두 제조업체가 모든 새 자동차의 배기가스를 테스트하여 한계를 초과하지 않는지 확인하도록 요구합니다. 여기서 불량한 가스 분석 시스템은 자동차가 테스트에 실패하여 생산이 지연되고 수백만 달러의 비용이 발생한다는 것을 의미합니다. 나는 고객의 프로토타입 자동차가 이전 시스템으로 낮은 수준의 NOx를 정확하게 측정할 수 없고 규제 기한을 거의 놓쳤기 때문에 세 번이나 반송되는 것을 보았습니다. 그렇기 때문에 우리는 판독값이 올바른지 확인하는 기본 검사 기능을 통해 정기적으로 교정되도록 시스템을 설계합니다. 더 이상 시간이 걸리고 사람의 실수가 발생할 여지가 있는 수동 교정이 필요하지 않습니다.
하지만 이는 단순한 규제가 아닙니다. 엔진 설계자는 이러한 시스템을 사용하여 자동차를 더 좋게 만듭니다. 새로운 하이브리드 엔진이 시동 중에 예상보다 많은 CO를 방출하는 경우, 팀은 일주일 후 실험실 테스트를 기다리지 않고 즉시 연료 분사 시기를 조정할 수 있습니다. 저는 작년에 소규모 EV 스타트업과 협력했습니다(EV에도 백업 히터에서 배출되는 배기 가스가 있습니다). 이 회사는 우리 시스템을 사용하여 히터의 연소를 조정하여 열 출력 손실 없이 CO를 15% 줄였습니다. 이것이 바로 규칙에 대한 확인란을 선택하는 것 이상으로 이러한 시스템이 갖는 실질적인 영향입니다.
잠깐만요. 그런데 가스 분석 시스템은 진공 상태에서는 작동하지 않죠? 전체 그림을 얻기 위해 엔지니어는 종종 이를 가연성 및 재료 성능을 측정하는 다른 테스트 도구와 결합합니다. 배기 시스템은 매우 높은 온도에서 작동하기 때문에 배기 시스템을 구성하는 재료는 안전해야 합니다. 그렇기 때문에 우리는 연료 및 윤활유 가연성 테스트를 위한 TAG 폐쇄컵 자동 인화점 분석기, 누출이 있을 경우 후드 아래 배선에 불이 붙지 않는지 확인하는 자동차 와이어 하니스 가연성 테스터, 심지어 규제 기관이 신뢰하는 표준 인화점 측정을 위한 Pensky-Martens 폐쇄컵 인화점 테스터와 같은 보완 도구도 제공합니다. 극한 조건에서 작동하는 구성 요소를 작업하는 팀을 위해 우리는 항공기 화재 관통 시험기 및 접착 테이프 수직 가연성 시험기와 같은 도구도 갖추고 있지만 이러한 도구는 압력을 견뎌야 하는 배기 매니폴드 및 개스킷과 같은 견고한 부품에 더 적합합니다.
수년에 걸쳐 우리는 가스 분석 시스템을 더욱 사용자 친화적으로 개선했습니다. 이전 시스템은 자체 연구실 공간이 필요한 대형 데스크탑 장치였지만 이제는 밴에 싣고 도로나 경주 트랙에서 자동차를 테스트할 수 있는 휴대용 시스템이 있습니다. 이는 실험실 전체를 원격 위치로 운반할 수 없는 소규모 차고나 테스트 팀에 적합합니다. 또한 이제 클라우드 소프트웨어와 통합되어 모든 테스트 데이터가 자동으로 저장되므로 더 이상 종이에 적힌 메모를 잃어버릴 일이 없습니다. 엔지니어는 회의 중에 휴대폰으로 테스트 결과를 확인할 수 있어 의사결정 속도가 훨씬 빨라집니다.
하지만 현실적으로 생각해 봅시다. 모든 것이 완벽하지는 않습니다. 여전히 과제가 있습니다. 배기가스 샘플의 습도로 인해 NDIR 판독값이 손상될 수 있으므로 관심 있는 가스를 제거하지 않고 수증기를 제거하는 건조기를 추가합니다. 높은 온도는 센서에 스트레스를 줄 수도 있으므로 우리는 분해되지 않고 1,000°C 배기 라인을 처리할 수 있는 재료를 사용합니다. 요즘 가장 큰 것은 미립자 필터나 수소 연료 전지가 있는 저배출 엔진을 측정하는 것입니다. 이러한 엔진은 CO와 NOx가 훨씬 적기 때문에 시스템은 10억분의 1과 같은 작은 양을 포착할 수 있을 만큼 민감해야 합니다. 우리는 이를 달성하기 위해 지난 2년 동안 CLD 및 FID 센서를 업그레이드했는데, 이는 연료 전지 고객에게 큰 승리였습니다.
엔지니어, 테스트 연구소 관리자 또는 배출 가스를 다루는 자동차 제조업체의 직원이라면 신뢰할 수 있는 가스 분석이 단순하게 할 수 있는 것이 아니라는 것을 알고 계실 것입니다. 잘못된 판독은 테스트 실패로 이어질 뿐만 아니라 효율성이 떨어지거나 오염이 심하거나 심지어 안전하지 않은 자동차로 이어집니다. 우리 팀은 수년간 자동차 고객과 협력하여 새로운 가스 엔진, 하이브리드 또는 연료 전지를 테스트하든 관계없이 고객의 특정 요구 사항을 충족하도록 이러한 시스템을 미세 조정해 왔습니다. 현재 시스템을 업그레이드하려고 하거나 가스 분석이 프로젝트에 어떻게 도움이 될 수 있는지에 대해 이야기하고 싶다면 주저하지 말고 당사 팀에 문의하여 자세한 내용을 알아보세요. 배기가스 수치를 올바르게 파악하는 것부터 시작하여 더 좋고 더 깨끗한 자동차를 함께 만들어 봅시다.
참고자료
- 자동차 배기가스 배출: 측정 방법 및 규정. 미국 환경 보호국, 2022.
- 자동차 응용 분야를 위한 가스 분석. SAE(자동차공학회) 국제, 2021.
- 자동차 부품의 가연성 테스트. 전국화재예방협회(NFPA), 2020.
- 가스 농도 모니터링을 위한 비분산 적외선 분광법. 분석화학, 2019, vol. 91, 아니. 12, pp. 7523-7538.